CN101540358B - 宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管，包括：衬底，以及位于所述衬底上的增益介质，该增益介质采用能带结构空间变化的半导体材料形成。本发明同时公开了一种制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法。利用本发明，由于采用能带结构空间变化的半导体材料作为增益介质，超辐射发光二极管辐射光具有内在的非相关性，所以在较大的输出功率下，仍然可以保持较宽光谱输出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体超辐射发光二极管技术领域，尤其涉及一种宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法。
背景技术
半导体超辐射发光二极管在光纤陀螺仪、光学测试设备、光纤传感系统、光纤通信系统、光学层析成像方面有着广泛的应用。在上述的应用中，为了减小Reyleigh背散射，提高系统的精度，需要超辐射发光二极管具有宽的光谱。由于实际的系统中存在耦合损耗、传输损耗、分波/合波损耗，某些应用(例如分布式光纤传感系统)还要求超辐射发光二极管同时具有较大的功率输出，以提高探测端的灵敏度。
传统的超辐射发光二极管很难同时满足大功率和宽光谱的要求。由于传统的超辐射发光二极管采用能带均匀的半导体材料作为增益区，辐射光存在内在的相关性，随着输出功率的增加，辐射光很快激射到少数几个模式上，输出光谱迅速变窄。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的制作方法，以使超辐射发光二极管在较大的输出功率下，仍然可保持较宽光谱输出。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法，该方法包括：
在衬底1上淀积一层二氧化硅2；
在二氧化硅2上沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形3；
在衬底1上未淀积二氧化硅2之处依次外延生长n-InP缓冲层4、i-InGaAsP下限制层5、i-InGaAsP/InGaAsP多量子阱层6、i-InGaAsP上限制层7、p-InP层8、p-InGaAs接触层9。
腐蚀掉衬底1上构成三角形二氧化硅图形3的二氧化硅；
沿〔011〕晶向光刻并腐蚀p-InP层8和p-InGaAs接触层9，形成脊型结构10；
将上述步骤得到的外延片解理成管芯11，在管芯11的两端面进行镀膜，形成宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管。
优选地，所述衬底1采用n-InP基片，所述在衬底1上淀积一层二氧化硅的步骤包括：采用等离子体增强化学气相沉淀方法，在n-InP基片上淀积一层厚度为50至500nm的二氧化硅。
优选地，所述在二氧化硅上沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形的步骤中，三角形二氧化硅图形的尺寸为W＝5至100μm，S＝5至50μm，L＝50至1500μm。
优选地，所述在衬底1上未淀积二氧化硅2之处依次外延生长n-InP缓冲层4、i-InGaAsP下限制层5、i-InGaAsP/InGaAsP多量子阱层6、i-InGaAsP上限制层7、p-InP层8、p-InGaAs接触层9，采用金属有机物化学气相沉淀方法。
优选地，所述在管芯11的两端面进行镀膜的步骤包括：在管芯11的一端镀高反射膜12，另一端镀增透膜13。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管，由于采用能带结构空间变化的半导体材料作为增益介质，超辐射发光二极管辐射光具有内在的非相关性，所以在较大的输出功率下，仍然可以保持较宽光谱输出。
2、本发明提供的这种宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管，在光纤陀螺仪、光学测试设备、光纤传感系统、光纤通信系统、光学层析成像方面有着广泛的应用，相对于普通的半导体超辐射二极管而言，可以提高探测灵敏度，改进系统性能。
3、本发明提供的这种制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法，工艺简单，实现成本低，具有工艺合理性。
附图说明
为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例进行详细说明：
图1是本发明提供的选择区域生长的金属有机物化学气相沉淀示意图；
图2是本发明提供的选择区域生长的量子阱厚度T随二氧化硅图形宽度S变化的曲线；
图3是本发明提供的选择区域生长的量子阱带隙波长随二氧化硅图形宽度S变化的曲线；
图4是本发明提供的制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法流程图；
图5至图9是依照本发明实施例制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
下面首先介绍本发明的实现原理：
图1至图3是选择区域生长的金属有机物化学气相淀积原理示意图，其中，图1是本发明提供的选择区域生长的金属有机物化学气相沉淀示意图，图2是本发明提供的选择区域生长的量子阱厚度T随二氧化硅图形宽度S变化的曲线，图3是本发明提供的选择区域生长的量子阱带隙波长随二氧化硅图形宽度S变化的曲线。
在本发明中，选择区域生长(selective area growth)的金属有机物化学气相沉淀(metal organic chemical vapor phase deposition)技术被用于实现能带结构空间变化的半导体材料。选择区域生长是在制作了二氧化硅图形的半导体衬底上进行，由于半导体材料不能在二氧化硅表面上成核，反应气体会横向迁移。在较宽的二氧化硅图形附近，气体横向迁移系数大，半导体材料生长速度快；在较窄的二氧化硅图形附近，气体横向迁移系数小，半导体材料生长速度慢。对于量子阱半导体材料而言，阱的厚度由于二氧化硅图形的变化而发生空间变化，从而导致材料能带结构的空间变化。
基于上述原理，本发明提供了一种宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管，该超辐射发光二极管包括：
衬底，以及
位于所述衬底上的增益介质，该增益介质采用能带结构空间变化的半导体材料形成。
所述半导体材料为量子阱材料，所述量子阱材料阱的厚度呈空间变化，所述量子阱材料采用以下任一种材料体系InP/InGaAsP、InP/A1GaInAs、GaAs/InGaAs、GaAs/A1GaAs。所述增益介质通过选择区域生长的金属有机物化学气相沉淀方法在衬底上沉淀生长而成。
如图4所示，图4是本发明提供的制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法流程图，该方法包括：
步骤401：在衬底1上淀积一层二氧化硅2；所述衬底1一般采用n-InP基片。
步骤402：在二氧化硅2上沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形3。
步骤403：在衬底1上未淀积二氧化硅2之处依次外延生长n-InP缓冲层4、i-InGaAsP下限制层5、i-InGaAsP/InGaAsP多量子阱层6、i-InGaAsP上限制层7、p-InP层8、p-InGaAs接触层9。
步骤404：腐蚀掉衬底1上构成三角形二氧化硅图形3的二氧化硅。
步骤405：沿〔011〕晶向光刻并腐蚀p-InP层8和p-InGaAs接触层9，形成脊型结构10。
步骤406：将上述步骤401至步骤405得到的外延片解理成管芯11，在管芯11的两端面进行镀膜，形成宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管。
为了更加清楚明白的介绍本发明提供的这种宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管及其制作工艺，以下结合具体的实施例进行说明。在本实施例中，以InP/InGaAsP材料体系为例。
图5至图9是依照本发明实施例制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的工艺流程图，包括以下步骤：
步骤1、采用n-InP衬底片1作为基片。
步骤2、采用等离子体增强化学气相沉淀方法在衬底片1上淀积一层厚度为50至500nm的二氧化硅2，如图5所示。
步骤3、沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形3，三角形二氧化硅图形的尺寸为W＝5至100μm，S＝5至50μm，L＝50至1500μm；如图6所示。
步骤4、使用金属有机物化学气相沉淀方法，在衬底片1上未淀积SiO2之处外延生长n-InP缓冲层4、i-InGaAsP下限制层5、i-InGaAsP/InGaAsP多量子阱层6、i-InGaAsP上限制层7、p-InP层8、p-InGaAs接触层9，如图7所示。
步骤5、腐蚀掉外延片上的二氧化硅，即腐蚀掉衬底1上构成三角形二氧化硅图形3的二氧化硅。
步骤6、沿〔011〕晶向光刻并腐蚀p-InP层8和p-InGaAs接触层9，形成脊型结构10，如图8所示。
步骤7、将上述步骤1至6得到的外延片解理成管芯11，在管芯11两端面进行镀膜，一端镀高反射膜12，另一端镀增透膜13，如图9所示。
本发明与现有技术相比较：利用选择区域生长的金属有机物化学气相沉淀方法，制备能带结构空间变化的半导体量子阱材料作为半导体超辐射管的增益介质，辐射光具有内在的非相关性，有利于在大的输出光功率下仍然保持较宽的输出光谱范围，从而实现宽光谱、大功率的半导体超辐射发光二极管。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法，其特征在于，该方法包括：
在衬底(1)上淀积一层二氧化硅(2)；
在二氧化硅(2)上沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形(3)；
在衬底(1)上未淀积二氧化硅(2)之处依次外延生长n-InP缓冲层(4)、i-InGaAsP下限制层(5)、i-InGaAsP/InGaAsP多量子阱层(6)、i-InGaAsP上限制层(7)、p-InP层(8)、p-InGaAs接触层(9)；
腐蚀掉衬底(1)上构成三角形二氧化硅图形(3)的二氧化硅；
沿〔011〕晶向光刻并腐蚀p-InP层(8)和p-InGaAs接触层(9)，形成脊型结构(10)；
将上述步骤得到的外延片解理成管芯(11)，在管芯(11)的两端面进行镀膜，形成宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管。
2.根据权利要求1所述的制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法，其特征在于，所述衬底(1)采用n-InP基片，所述在衬底(1)上淀积一层二氧化硅的步骤包括：
采用等离子体增强化学气相沉淀方法，在n-InP基片上淀积一层厚度为50至500nm的二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法，其特征在于，所述在二氧化硅上沿〔011〕晶向光刻并腐蚀出平行的宽度渐变的三角形二氧化硅图形的步骤中，三角形二氧化硅图形的尺寸为W＝5至100μm，S＝5至50μm，L＝50至1500μm，其中，W是相邻的两个三角形二氧化硅图形两底边之间的间距，S是三角形二氧化硅图形底边的长度，L是三角形二氧化硅图形底边到顶点的距离。
4.根据权利要求1所述的制作宽光谱大功率的半导体超辐射发光二极管的方法，其特征在于，所述在衬底(1)上未淀积二氧化硅(2)之处依次外延生长n-InP缓冲层(4)、i-InGaAsP下限制层(5)、i-InGaAsP/InGaAsP多量子阱层(6)、i-InGaAsP上限制层(7)、p-InP层(8)、p-InGaAs接触层(9)，采用金属有机物化学气相沉淀方法。
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